Вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння

Реферат: Винахід належить до вільнопоршневих двигунів внутрішнього згоряння, котрі перетворюють термодинамічний процес згоряння повітряно-пальної суміші у зворотно-поступальній рух поршнів в циліндрах для приведення в дію різних машин. Технічним завданням винаходу є зниження собівартості вільнопоршневого ДВЗ за рахунок відокремлення його від гідравлічної частини з вилученням останньої з конструкції вільнопоршневого ДВЗ, для чого порожнини обох циліндрів 1 та 2 сполучені між собою приєднаним до перегородок 4 каналом 23, розділеним заслінкою 24 з можливістю проходу газу скрізь отвори в заслінці 24, обладнані підпружиненими тарілчастими клапанами 25 у зворотних напрямах, під тиском не меншим від тиску в камері згоряння 6 до спалаху повітряно-пальної суміші, в кожній перегородці 4 встановлений випускний клапан 16, лінія 15 виходу з якого сполучена з підпружиненим золотником 14 управління упорскувачем 13 суміжного циліндра і з контактом 17 увімкнення свічі запалювання 7 суміжного циліндра, а з камери згоряння 6 кожного циліндра виведена лінія 12, сполучена з підпружиненим золотником 11 управління відкриттям сопла 10 та через розгалужену лінію 18 із двоканальним золотником 19 управління подачею стиснутого повітря до впускних клапанів 8. UA 111912 C2 (12) UA 111912 C2 UA 111912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до поршневих двигунів внутрішнього згоряння, надалі ДВЗ, котрі перетворюють термодинамічний процес згоряння повітряно-пальної суміші у зворотнопоступальний рух поршнів в циліндрах для приведення в дію різних машин. Поршневий двигун при спалаху повітряно-пальної суміші в камері згоряння створює тиск на поршень Рс=3.5-6.0 МПа при попередньому тиску до спалаху Рп=0.9-1.5 МПа зі ступенем стиску 6-9. (див., наприклад книгу УДК 656. 13(07), Ю.І. Боровських та ін. «Будова автомобілів». Київ. «Вища школа». 1991 р. Стор. 14). Відомий вільнопоршневий ДВЗ, що містить зовнішні джерела стиснутого повітря, подачі повітряно-пальної суміші, струму, мастильну систему, систему охолодження, два циліндри з розташованими в їх головках камерами згоряння зі свічами запалювання, з впускними клапанами і з упорскувачами повітряно-пальної суміші, сопло, поршні в циліндрах, вихлопні отвори в циліндрах і перегородки в торцях циліндрів, протилежних до їх головок, при цьому поршні ДВЗ обладнані центральними штоками, виведеними з порожнин циліндрів наскрізь через отвори в перегородках і устаткованими на других кінцях гідропоршнями, розміщеними в гідрокамерах, сполучених нагнітальними та зворотними гідромагістралями з аксіальноплунжерною гідромашиною (див. ОВ до ПУ № 84410, кл. F02В 71/04, 1986 р. пр.), або з гідротурбіною (див. ОВ до AC 6CPCP № 1218162, кл. F02В 71/04, 1986 р. пр.) при тому в трубопроводи гідравлічної частини агрегату вмонтовані прилади управління системи ДВЗ впускними клапанами, упорскувачами, запалюванням з відповідними лініями управління. Прототипом запропонованого вільнопоршневого ДВЗ за більшістю співпадаючих суттєвих ознак вільнопоршневий ДВЗ за а.с. № 1218162 завдяки наявності в ньому турбіни. В процесі роботи прототипу термодинамічний процес розширення газів від спалаху повітряно-пальної суміші поперемінно в камерах згоряння двох циліндрів ДВЗ спричинює зворотно-поступальний рух їх поршнів, котрий штоками передається гідропоршням, створюючи високий надлишковий тиск рідини в гідрокамерах, і під напором струменя рідини надається обертовий момент гідротурбіні. Недоліком прототипу є те, що прилади управління вільнопоршневим двигуном внутрішнього згоряння вмонтовані в системи гідравлічної частини агрегату без можливості відокремлення ДВЗ від гідравлічної чистини через взаємну функційну залежність, а їх вимушена постійна сукупність є громіздкою і зумовлює високу собівартість прототипу в цілому. Задачею винаходу є зниження собівартості вільнопоршневого ДВЗ за рахунок відокремлення його від гідравлічної частини з вилученням останньої з конструкції ДВЗ. Для вирішення поставленої задачі запропонована конструкція вільнопоршневого ДВЗ поряд з суттєвими ознаками, властивими для прототипу, такими як зовнішні джерела системи подачі стиснутого повітря, системи подачі пального, струму, мастильна система, система охолодження, два циліндри з розташованими в їх головках камерами згоряння зі свічами запалювання, з впускними клапанами і з упорскувачами повітряно-пальної суміші, поршні в циліндрах, перегородки в торцях циліндрів протилежних до їх головок, запірна арматура, в т.ч. золотникова і зворотний клапан, сопло і турбіна, містить нові відмінні від прототипу суттєві ознаки, а саме - порожнини обох циліндрів зі сторони перегородок сполучені між собою приєднаним до перегородок каналом, розділеним заслінкою, обладнаною двома зворотнонаправленими підпружиненими тарілчастими клапанами з регулювальними шайбами з можливістю пропуску стиснутого повітря під тиском, не меншим від тиску Рп, що відповідає тиску в камері згоряння до спалаху повітряно-пальної суміші, в перегородці кожного циліндра встановлений випускний клапан, лінія виходу з якого сполучена з підпружиненим золотником управління упорскувачем суміжного циліндра і з увімкненням свічі запалювання суміжного циліндра, а з камери згоряння кожного циліндра виведена лінія, сполучена з двоканальним золотником управління подачею стиснутого повітря до впускних клапанів і з підпружиненим золотником управління відкриттям сопла, при тому в обох торцях порожнини кожного циліндра вмонтовані патрубки з нормально закритими кранами для контролю ручною помпою положення поршня в циліндрі при підготовці ДВЗ до пуску в роботу. Вільнопоршневий ДВЗ працює наступним чином: перед пуском в роботу спочатку натиском на рукоятку ручної помпи через тягу відкривають крани в торцях порожнини кожного циліндра і одночасно переміщують поршень до упору в головку циліндра з наступним зворотним зміщенням на осьовий розмір камери згоряння, зазначений на штоку помпи, потім дегерметизують помпу і зворотним ходом тяги закривають крани в торцях циліндра, після чого вузол з позицій «помпа-тяга-крани» подальшої участі в роботі ДВЗ не приймає. Відкривають кран трубопроводу стиснутого повітря, яке через відкритий один з каналів двоканального золотника і через передній і задній впускні клапани входить в порожнину одного з циліндрів і при досягненні тиску Рп, що відповідатиме тиску в камері згоряння до спалаху повітряно 1 UA 111912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пальної суміші, відкривається один з клапанів заслінки каналу. Скрізь відкритий клапан заслінки каналу стиснуте повітря проходить в суміжний циліндр і підтискає його поршень до головки, створюючи в його камері згоряння також тиск Рп. Перше увімкнення в роботу упорскувача повітряно-пальної суміші сукупного з контактом запалювання свічі здійснюють вручну натиском на гашетку при вузлі упорскувача одного з циліндрів - відбувається спалах повітряно-пальної суміші в камері згоряння суміжного циліндра з досягненням в ній тиску Рс вчетверо більшого за Рп. Напір газів продуктів згоряння в лінії з камери згоряння до золотника управління відкриттям сопла під дією тиску Рс відкриває прохід сопла і перемикає двоканальний золотник на подачу стиснутого повітря до впускних клапанів цього суміжного циліндра. Оскільки тиск Рс>Рп, то для запобігання зворотному удару в трубопровід стиснутого повітря перед двоканальним золотником вмонтований зворотний клапан. Внаслідок тиску Рс напір струменя продуктів згоряння з сопла обертає турбіну і одночасно поршень зміщується в сторону перегородки, при цьому пропускна здатність клапана заслінки каналу є меншою від пропускної здатності сопла, тому на обертання турбіни використовується більша частина тиску продуктів згоряння як робочого тіла газової турбіни, за винятком ступеня тиску повітря позаду поршня. Вихід продуктів згоряння через сопло на турбіну здійснюється до падіння тиску в циліндрі з Рс до Рп з кінцевою продувкою стиснутим до Рп повітрям через попередньо перемкнутий відкритий канал двоканального золотника. При тиску Рп ступінь стиснутого повітря позаду поршня і в порожнині першого циліндра повертає поршень в цьому суміжному циліндрі до його головки, а пружина закриває прохід золотника сопла. При тиску Рс також спрацьовує випускний клапан цього циліндра і напір в лінії випускного клапана задіює упорскувач повітряно-пальної суміші в камеру згоряння першого циліндра і увімкнення свічі запалювання в ній з повторенням аналогічного циклу перетворення термодинамічного процесу згоряння повітряно-пальної суміші у зворотно-поступальний рух поршня вже в першому циліндрі з виходом продуктів згоряння під тиском через його сопло на турбіну. Надалі такі такти відбуваються почергово в обох циліндрах, забезпечуючи обертання турбіни. Зміна інтенсивності роботи вільнопоршневого ДВЗ досягається зміною інтенсивності в системі подачі повітряно-пальної суміші. Отже, нова сукупність суттєвих ознак в порівнянні з прототипом знижує собівартість вільнопоршневого ДВЗ за рахунок вилучення з його конструкції гідравлічної частини у відповідності до задачі винаходу. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де: На фіг. 1 зображений вертикальний осьовий переріз циліндра вільнопоршневого ДВЗ; на фіг. 2 - переріз за стрілкою А-А фіг. 1; на фіг. 3 - вигляд за стрілкою В-В фіг. 1; на фіг. 4 - переріз за стрілкою Б фіг. 1; на фіг. 5 - пристрій для контролю положення поршня в циліндрі. Вільнопоршневий ДВЗ складається з двох однакових циліндрів 1 і 2 (фіг. 1 та фіг. 2) перекритих в торцях спереду головкою 3, а позаду перегородкою 4. В кожному циліндрі наявний поршень 5, в передньому положенні якого між ним і головкою 3 є камера згоряння 6 із свічею запалювання 7 (фіг. 1), вмонтованою в головку 3, і з впускним клапаном 8 стиснутого повітря, сполученим трубопроводом 9 з таким самим впускним клапаном 8, але встановленим позаду циліндра. Також в головку 3 кожного циліндра вмонтоване сопло 10 з проходом нормально закритим підпружиненим золотником 11. Лінія управління 12 золотником 11 сполучена з камерою згоряння 6. В камеру згоряння 6 (фіг. 2) кожного циліндра введений упорскувач 13 з проходом нормально закритим підпружиненим золотником 14, сполученим лінією управління 15 з підпружиненим випускним клапаном 16 суміжного циліндра, встановленим в перегородці 4 позаду циліндра. Шток випускного клапана 16 виконаний двогрибковим і видовженим для скорочення часу спрацювання від моменту відриву від сідла заднього грибка до моменту осадки на сідло переднього грибка. Кожний вузол упорскувача 13 суміщений з контактом 17 свічі запалювання 7 того ж циліндра. Сполучена з камерою згоряння 6 (фіг. 1) лінія управління 12 відгалуженою лінією 18 сполучена ще з торцевими порожнинами управління двоканальним золотником 19 (фіг. 3), виконаним з можливістю поперемінного відкриття чи закриття трубопроводів стиснутого повітря до впускних клапанів 8 циліндра 1 або циліндра 2 з фіксацією двох положень підружиненою кулькою 20 у відповідних канавках. В трубопроводі стиснутого повітря перед двоканальним золотником 19 встановлений зворотний клапан 21 та кран 22. Зусилля пружини золотника 11 сопла (фіг. 1) дозволяє відкриття його проходу при дії тиску на поршень управління золотником тиску Рс, що відповідає тиску в камері згоряння 6 після спалаху повітряно-пальної суміші з наступним зниженням тиску але не нижче Рп, що відповідає тиску в 2 UA 111912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 камері згоряння 6 перед спалахом повітряно-пальної суміші, а зусилля пружин золотника 14 упорскувача (фіг. 2), випускного клапана 16 та кульки 20 (фіг. 3) двоканального золотника допускають їх спрацювання тільки при тиску Рс. Порожнини обох циліндрів (фіг. 2) позаду сполучені між собою герметично приєднаним до перегородок 4 каналом 23, розділеним заслінкою 24, обладнаною двома зворотно-направленими тарілчастими клапанами 25, встановленими штоками в траверсах 26 (фіг. 2 і 1) і підпружиненими пружинами 27 (фіг. 2) з можливістю проходу газу під тиском не меншим від тиску Рп. Для регулювання зусилля пружин 27 в їх торцях встановлені шайби 28, а вузол заслінки 24 в цілому виконаний вставним на фланцях для можливості контролю відповідності тиску Рп на окремому стенді перед встановленням по місцю в каналі 23. Система охолодження з боку циліндрів 1 і 2 (фіг. 4) має поздовжні порожнини 29 закільцьовані поперечними каналами 30 (фіг. 2). В обох торцях порожнини кожного циліндра вмонтовані патрубки з нормально закритими кранами 31 для контролю ручною помпою положення поршня 5 в циліндрі при підготовці ДВЗ до пуску в роботу. Перед соплом 10 (фіг. 1) на валу 32 встановлена турбіна 33. Ручна помпа 34 (фіг. 5) виконана з приєднаною до штока тягою 35 з можливістю дистанційного відкривання і закривання каналів 31. Вільнопоршневий ДВЗ працює наступним чином: перед пуском в роботу спочатку натиском на рукоятку ручної помпи 34 (фіг. 5) через тягу 35 відкривають крани 31 в торцях циліндрів і одночасно переміщують поршень 5 до упору в головку циліндра з наступним зворотним зміщенням на осьовий розмір камери згоряння 6 (фіг. 1), зазначений на штоку помпи 34 (фіг. 5), потім дегерметизують помпу і зворотним ходом тяги 35 закривають крани 31, після чого вузол з позицій 31, 34, 35 подальшої участі в роботі ДВЗ не приймає. Відкривають кран 22 (фіг. 3) трубопроводу стиснутого повітря, яке через відкритий один з каналів двоканального золотника 19 і через передній і задній впускні клапани 8 входять в порожнину циліндра 1 (фіг. 1) і при досягненні тиску Рп в ньому, що відповідає тиску в камері згоряння 6 до спалаху повітрянопальної суміші, відкривається один з клапанів 25 заслінки 24 каналу 23 (фіг. 2). Скрізь відкритий клапан 25 стиснуте повітря проходить в суміжний циліндр 2 і підтискає його поршень 5 до головки 3, створюючи в його камері згоряння 6 також тиск Рп. Перше увімкнення в роботу упорскувача 13 циліндра 2, сукупного з контактом 17 запалювання свічі 7 здійснюють вручну натиском на гашетку при вузлі упорскувача - відбувається спалах повітряно-пальної суміші в камері згоряння циліндра 2, з досягненням в ній тиску Рс вчетверо більшим за Рп. Напір газів продуктів згоряння в лінії 12 (фіг. 1) під дією тиску Рс відкриває прохід сопла 10 і перемикає золотник 19 (фіг. 3) на подачу стиснутого повітря до впускних клапанів 8 циліндра 2. При Рс>Рп зворотному ударі запобігає зворотний клапан 21. Внаслідок тиску Рс напір струменя продуктів згоряння сопла 10 обертає турбіну 33 (фіг. 1) і одночасно поршень 5 зміщується назад при цьому на обертання турбіни 33 використовується більша частина тиску продуктів згоряння, т.як пропускна здатність клапана 25 заслінки 24 є меншою від пропускної здатності сопла 10 і має місце певний ступінь стиску повітря позаду поршня 5. Вихід продуктів згоряння через сопло 10 на турбіну 33 здійснюється до падіння тиску в циліндрі 2 з Рс до Рп з кінцевою продувкою стиснутим до Рп повітрям через попередньо перемкнутий відкритий канал двоканального золотника. При тиску Рп ступінь стиснутого повітря позаду поршня 5 циліндра 2 повертає поршень до головки 3 циліндра 2, а пружина закриває прохід золотника 11 сопла 10. Перед тим, ще при тиску Рс (фіг. 2) спрацював також випускний клапан 16 циліндра 2 і напір в лінії 15 задіяв упорскувач 13 циліндра 1 на подачу повітряно-пальної суміші в камеру згоряння 6 циліндра 1 та увімкнення свічі запалювання в ній. Повторюється аналогічний такт перетворення термодинамічного процесу згоряння повітряно-пальної суміші у зворотно-поступальний рух поршня 5, але вже в циліндрі 1 з виходом продуктів згоряння під тиском через його сопло 10 (фіг. 1) на турбіну 33. Надалі такі такти повторюються почергово в обох циліндрах, забезпечуючи обертання турбіни 33 з можливістю зняття потужності з її валу 32 для приведення в дію різних машин. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить зовнішні джерела подачі стиснутого повітря, подачі пального, струму, мастильну систему, систему охолодження, два циліндри з розташованими в їх головках камерами згоряння зі свічками запалювання, з випускними клапанами і з упорскувачами повітряно-пальної суміші, поршні в циліндрах, перегородки в торцях циліндрів, протилежних до їх головок, запірну арматуру, в т. ч. золотникову, і зворотний клапан, сопло і турбіну, який відрізняється тим, що порожнини обох циліндрів сполучені між собою приєднаним до перегородок каналом, розділеним заслінкою з 3 UA 111912 C2 5 10 можливістю проходу газу під тиском, не меншим від тиску в камері згоряння до спалаху повітряно-пальної суміші, в перегородці кожного циліндра встановлений випускний клапан, лінія виходу з якого сполучена з підпружиненим золотником управління упорскувачем суміжного циліндра і з контактом увімкнення свічі запалювання суміжного циліндра, а з камери згоряння кожного циліндра виведена лінія, сполучена з двоканальним золотником управління подачею стиснутого повітря до впускних клапанів і з підпружиненим золотником управління відкриттям сопла, при тому в обох торцях порожнини кожного циліндра вмонтовані патрубки з нормально закритими кранами для контролю ручною помпою положення поршня в циліндрі при підготовці вільнопоршневого ДВЗ до пуску в роботу. 2. Вільнопоршневий ДВЗ за п. 1, який відрізняється тим, що заслінка каналу обладнана двома зворотно-направленими тарілчастими підпружиненими клапанами. 3. Вільнопоршневий ДВЗ за п. 1, який відрізняється тим, що випускний клапан в перегородці кожного циліндра виконаний двогрибковим з видовженим штоком. 4 UA 111912 C2 5 UA 111912 C2 6 UA 111912 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7